抗性淀粉的制备、生理功能及应用

王 怡,陈祖琴,李 萍,黄文丽,*

(1.四川省农业科学院生物技术核技术研究所,四川成都 610066;2.成都大学,四川成都 610106)

抗性淀粉的制备、生理功能及应用

王 怡1,2,陈祖琴1,李 萍1,黄文丽1,*

(1.四川省农业科学院生物技术核技术研究所,四川成都 610066;2.成都大学,四川成都 610106)

抗性淀粉作为一种低热量、高膳食纤维的功能性食品成分,具有多种保健功能,成为近年来国际上新兴的食品研究领域。本文综述了抗性淀粉的分类、制备、生理功能及抗性淀粉在食品及其他行业中的应用现状。

抗性淀粉,制备,生理功能,应用

淀粉作为日常饮食中最重要的碳水化合物,是人体重要的能量来源。根据营养学分类,淀粉可分为快速消化淀粉(RDS)、缓慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)。抗性淀粉在胃和小肠中不被消化吸收,而在大肠中发酵,产生多种短链脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA)和气体,从而发挥出对人体独特的生理功能,许多研究表明,RS能够降低糖尿病、结肠癌、心血管疾病、肥胖等疾病的发病风险。

目前国际上把抗性淀粉主要分为5种类型:物理包埋淀粉(Physically Trapped Starch,RS1)、抗酶解的天然淀粉颗粒(Resistant Starch Granules,RS2)、回生淀粉(Retrograded Starch,RS3)以及化学改性淀粉(Chemically Modified Starch,RS4、RS5)。其中,RS5是Jay-lin Jane在2010年发现的一种新的抗性淀粉,它是直链淀粉与脂类形成的复合物[1]。抗性淀粉不仅能够改善肠道环境,起到与膳食纤维相似的生理功能,对许多慢性病的防治有着重要的意义。同时,抗性淀粉持水性低、无异味,具有良好的食品加工性能。因此,抗性淀粉作为一种功能性的食品成分,已受到国内外研究学者的广泛关注,在抗性淀粉的制备、生理功能以及开发方面都取得进展[2]。

1 抗性淀粉的制备方法

谷物、豆类、水果等食物中存在的天然抗性淀粉的含量都比较少,通过普通提取的方法得到的含量难以满足市场需求。因此,越来越多的研究者致力于通过一些物理、化学方法来提高抗性淀粉的产率,实现抗性淀粉的工业化生产。目前,国内外抗性淀粉制备方法主要有以下几种。

1.1 压热处理法

压热处理是目前制备抗性淀粉最常用的方法之一,压热处理法是将淀粉和水混合,通过高温、高压将一定浓度的淀粉悬浮液充分糊化后,再经过冷却老化处理来制备抗性淀粉[3]。淀粉经高压蒸汽处理后变成糊状,颗粒淀粉全部分解,再对淀粉进行回生处理,直链淀粉分子间通过氢键形成稳定的双螺旋结构。根据淀粉乳浓度、处理温度及时间不同,抗性淀粉的得率有较大的差异。一般来说,淀粉乳浓度居于20%～40%,处理温度为80～160 ℃。然而,不同原料其影响抗性淀粉得率的因素重要性不同。苑会功等[4]用小麦淀粉压热制备抗性淀粉,影响因素主次为:压热温度>淀粉乳浓度>放置时间>压热时间;利用紫山药淀粉为原料时,影响抗性淀粉得率最重要的因素是淀粉乳浓度[5]。研究还发现,淀粉回生循环可显著提高抗性淀粉的含量,香蕉淀粉在121 ℃高压热蒸汽条件下处理1 h,在4 ℃的条件下储存24 h,进行三次循环之后,抗性淀粉的含量从1.5%增加到16%[6]。

淀粉经超高压处理后,原淀粉晶体结构重新排列,一部分A型结晶转化为抗淀粉酶的B型晶体[7],从而提高抗性淀粉含量。刘树兴等[8]采用超高压和酶相结合对小麦淀粉进行处理,在淀粉乳浓度20%、温度25 ℃的条件下,保持450 MPa的压力10 min制得的抗性淀粉平均得率为9.85%,比原始淀粉中R抗性淀粉的得率3.09%提高了2.18倍。

1.2 脱支法

脱支法是将淀粉水解、切割产生长度均一的脱支分子片断,再通过分子间的相互缔合作用形成稳定的结构。脱支法最常用的是酶法脱支,使用的酶为耐高温α-淀粉酶和普鲁兰酶,α-淀粉酶主要水解淀粉的α-1,4-糖苷键,普鲁兰酶能够专一性切开支链淀粉分支点中的α-1,6-糖苷键,切下分支,形成直链淀粉[9]。经过普鲁兰酶(1 U/g)协同处理紫薯淀粉,所得紫薯抗性淀粉含量为17.16%,较单一压热法提高了67.74%[10]。在酶法处理过程中,酶用量、温度、酶解时间以及pH对脱支效果具有显著的影响。此外,更多的研究者采用复合酶对淀粉进行处理。姚奥林等[11]采用普鲁兰酶和纤维素酶共同处理玉米淀粉,抗性淀粉的得率高达28.1%。α-淀粉酶、糖化酶和纤维素酶两两联合处理、三种酶共同处理均使马铃薯回生抗性淀粉产率降低;而纤维素酶处理可大大提高马铃薯回生抗性淀粉产率[12]。因此,复合酶中酶的配比以及酶解顺序对抗性淀粉制备也有一定的影响。

此外,酸法脱支也常被用于抗性淀粉的制备,其中盐酸的催化率高达100%,该方法处理后,非晶型部分被水解掉,留下的晶型部分很难被分解,从而提高抗消化率,使抗性淀粉含量增加[13]。Mun等[14]以玉米淀粉为原料,在0.1 mol/L HCl,35 ℃的条件下酸解30 d,玉米中抗性淀粉的含量从5.9%增至9.1%。Pham等[15]将湿热处理分别与3种有机酸(柠檬酸、乳酸、醋酸)相结合,对3种直链淀粉含量不同的大米淀粉进行处理。结果表明,酸和湿热相结合处理之后的淀粉中抗性淀粉的含量为30.1%～39.0%,明显高于未处理的大米淀粉(6.3%～10.2%)和只进行湿热处理的大米淀粉(18.5%～23.9%)。

1.3 氧化处理

淀粉经化学方法进行氧化处理(NaClO、过氧化氢、高碘酸盐、氧气、臭氧、高锰酸盐等)过程中,淀粉葡萄糖单元中的羟基首先被氧化成羰基,然后继续氧化成羧基,增加的羰基和羧酸对消化酶产生位阻效应,从而提高抗性淀粉含量。Simsek等[16]研究发现,黑豆淀粉经过臭氧处理后,抗性淀粉含量从36.2%增至44.7%,黑白斑豆RS含量从41%增至44.6%。Chuang等[17]以玉米淀粉为原料,加入6%的NaClO,在pH9.5,35 ℃的条件下反应30 min,抗性淀粉的含量从11.7%增至35.1%。此外,通过电离辐射产生的自由基对淀粉不断地进行氧化,增加淀粉中羰基的含量,能够提高抗性淀粉的含量。Chung等[18]对马铃薯和白豆进行辐照处理,马铃薯抗性淀粉含量从84.1%提高到86.0%,白豆抗性淀粉含量从56.3%增至65.9%。辐照剂量及辐照剂量率对抗性淀粉得率的影响较大,利用Co60对样品进行辐照,辐照剂量一般为每小时0.4～10 kGy。与其他化学制备方法相比,辐照处理具有无残留物污染、耗时短的优点,近年来受到越来越多的关注。

1.4 挤压膨化处理法

挤压膨化法是指将淀粉乳加入螺旋挤压机,螺旋挤压机的挤压作用使淀粉乳与螺旋摩擦产生大量热量和发生剪切作用,淀粉糊化,直链淀粉溶出,一部分的支链淀粉发生断裂,形成的线性片段更容易形成抗酶解的结构,从而增加抗性淀粉的含量。挤压膨化法在制备抗性淀粉的过程中具有成本低、效率高的优点,因此在国外有许多关于挤压膨化法的研究与应用,其中Hasjim等[19]以普通的玉米淀粉为原料进行挤压过后,抗性淀粉的含量从2.1%增至17.4%,此外,Sarawong等[20]在以绿香蕉淀粉为原料进行挤压时,发现在水分含量越高,转速越低的条件下,直链淀粉含量增加,抗性淀粉也随之增加,González-Soto[21]和July[22]在对芒果进行挤压处理时,也得到此结论。目前国外采用挤压膨化法工业化生产的产品有美国Novelose系、Fiberstar系、Hi-Maize和英国Crystalean。而在国内,采用挤压膨化法制备RS还处于研究阶段,目前还无法进行工业化的生产[23]。

除此之外,适量的微波处理能使淀粉分子的膨胀度、溶解度、粘度下降,部分双螺旋解旋,直链淀粉含量增加,从而增加抗性淀粉的含量[24]。采用微波-酶法制备RS3型玉米抗性淀粉[25]和甘薯淀粉[26]均能提高抗性淀粉含量,抗性淀粉得率分别为13.45%和31.25%。另外,超声波辅助处理不仅可以利用空化效应降解淀粉,还可以促进酶解速率,提高抗性淀粉得率[27]。淀粉经压热法制备后,再经过反复冻融,会改变淀粉凝胶结构和促进淀粉回生,可显著提高抗性淀粉含量[28]。

2 抗性淀粉的生理功能

抗性淀粉作为一种新型膳食纤维,不仅具有传统膳食纤维的大部分生理功能,还能通过在大肠中发酵产生的次生代谢产物而对人体发挥着独特的生理功能。

2.1 抗性淀粉对肠道健康的影响

抗性淀粉在小肠中不能被消化吸收,但在大肠内能被结肠微生物完全发酵产生短链脂肪酸(丁酸、乙酸、丙酸等)和气体(CO2、CH4、H2)。其中丁酸是对大肠健康影响最为突出的短链脂肪酸,是大肠上皮细胞主要能量底物,能够抑制肠道细胞的恶性转化,预防结直肠癌。此外,丁酸还能预防和改善溃疡性结肠炎、抗腹泻、治疗类风湿性关节炎[29]。产生的气体不仅能使粪便变得疏松,还能增加粪便的体积,有效预防痔疮、盲肠炎、便秘等肠道疾病。

抗性淀粉还能作为一种益生元,促进肠道中有益微生物的生长、繁殖。谢涛等[30]研究了制得的绿豆、马铃薯、锥栗和板栗抗性淀粉的益生作用及结构变化,结果发现,4种抗性淀粉不仅对双歧杆菌和乳酸杆菌都有较好的增殖作用,还能抑制大肠杆菌和产气荚膜梭菌。另外,抗性淀粉还能够促进矿物质的吸收,Morais等[31]发现抗性淀粉能明显促进猪肠道对钙离子和铁离子的吸收。

2.2 抗性淀粉对糖尿病的预防功能

抗性淀粉不会在小肠内转化成为葡萄糖,而是在摄入5～7 h后在大肠发生代谢,有效降低了餐后血糖和胰岛素浓度,同时也增加了饱腹感[32]。大量人体实验表明,摄入含有抗性淀粉的食物能有效控制血糖[33]、提高胰岛素的敏感性[34],改善糖尿病患者、正常人和超重个体餐后血糖状况。在动物实验中,白建江等[35]和Shen等[36]均发现患有2型糖尿病的大鼠在喂食抗性淀粉之后,血糖均得到了有效控制。有研究发现,抗性淀粉控制血糖、降低糖尿病的并发症可能与抗性淀粉保护肾脏的功能使人体保证充足的营养,尤其是维生素D的含量有关。许多病例表明:I型[37]和Ⅱ型[38]糖尿病患者的身体中缺乏维生素D。但是患有糖尿病导致维生素D缺乏,还是缺乏维生素D导致糖尿病发生仍然有很多争议,需要进行更深入的研究。

2.3 抗性淀粉对脂类代谢的影响

抗性淀粉能降低肝脏、血清中甘油三酯和胆固醇的含量,但是如何降低甘油三酯、胆固醇的机制尚不清楚。大多数的研究者认为抗性淀粉是通过增加类固醇和粪便的排泄来降低肝脏、血清中甘油三酯和胆固醇含量。Jocarol等[39]用生马铃薯淀粉RS2、马铃薯老化淀粉RS3及纤维素饲喂大鼠,结果发现,3组大鼠的日总粪固醇排泄量分别为RS3组(26.31 mg/d),RS2组(16.81 mg/d),纤维素组(14.27 mg/d),其中RS3组大鼠的日总粪固醇排泄量几乎是纤维素组的2倍。Cheng等[40]发现不同比例RS的大米淀粉和玉米淀粉能够显著降低高胆固醇大鼠血清总胆固醇浓度及肝脏中甘油三酯和总胆固醇,这可能与大米发酵产生的丙酸有关。此外,Han等[41]发现用含有5%大豆RS的饮食饲喂雄性大鼠4周后,肝7α-胆固醇脱氢酶、SR-B1、LDL受体等脂代谢相关基因的表达水平均显著上升,这可能是血清胆固醇水平降低的原因之一。抗性淀粉降低血清甘油三酯及胆固醇的机制还有待于进一步研究。

此外,抗性淀粉作为一种新型的膳食纤维,含有较低的热量,添加到食物中能降低食物的能量密度和增加饱腹感,还能增强能量的消耗和脂肪氧化,从而达到控制体重的目的。许多研究证明,抗性淀粉能有效的控制体重。Aziz等[42]发现,给肥胖小鼠喂食含有23.4%抗性淀粉的饲料,小鼠的体重减少了40%。此外,研究发现含有8%以上抗性淀粉的饲料能有效降低小鼠的体重,每增加4%抗性淀粉,小鼠的能量摄入减少9.8 kJ/d[43]。

2.4 抗性淀粉的其他功能

容易消化的淀粉在人体中被消化吸收后能够产生大量的胰岛素,而胰岛素能够促进胆固醇的形成,进而形成胆结石。研究发现,抗性淀粉可以降低胆结石的发病率[44]。此外,抗性淀粉对SD大鼠胃损伤有一定的保护作用。骞宇等[45]在HCl-乙醇诱导的胃损伤动物模型中发现,RS2能够显著降低大鼠的胃损伤程度,减少胃液分泌量、增加胃液pH,对胃损伤有一定的预防效果。

3 抗性淀粉的应用

抗性淀粉不仅对人体具有独特的生理功能,同时还具有良好的食品加工特性,而被广泛应用在食品中。

3.1 抗性淀粉作为食品添加剂

抗性淀粉不仅具有丰富的营养特性,还具有持水能力低、结合水能力高、口感细腻等特点。将抗性淀粉添加到食物中不仅可以增强食品的营养,还能增加食品的脆度、膨胀性等感官品质,提高产品质地。抗性淀粉作为食品添加剂可以添加到面包、饼干等烤焙食物中,也可以添加到面条、米饭等食物中。Maziarz等[46]分别将5.50%、13.10%和8.94%的RS2添加到松饼、面包、咖喱这三种食物中,比较添加RS2三种食物的感官品质发现,添加RS2的松饼,其感官品质提高;添加RS2的面包颜色更深,更稠密;强化后咖喱的感官品质没有受到较大影响。

抗性淀粉也可用于饮料、发酵乳制品和汤料的制作中。抗性淀粉用作增稠剂添加到饮料中,不但增加了饮料的不透明度和悬浮度,而且还不会影响其风味。将抗性淀粉添加到酸奶中能增加有益菌(乳酸杆菌)的数量,提高酸奶的营养价值。在油炸食品中,因RS3在高温下的稳定性最好,因此常将RS3添加到油炸食品中,添加抗性淀粉的油炸食品不仅颜色、硬度和脆性均得到了优化,同时膳食纤维的含量还得到了提高,有利于人体消化吸收。

3.2 抗性淀粉作为功能食品原料

抗性淀粉具有改善肠道环境,防止便秘,预防结肠癌和糖尿病,降低血清脂质含量等多种良好的生理功能,因此抗性淀粉作为原料开发高品质的功能性保健食品具有巨大的应用前景。目前,美国Medistar公司以抗性淀粉为原料开发出针对糖尿病患者的特纤特膳冲剂,能有效提高胰岛素的敏感性,降低血糖。此外抗性淀粉因其具有良好的饱腹感,也可作为一种减肥产品来控制肥胖人群体重的增长。

3.3 抗性淀粉作为生化药物载体

抗性淀粉因其不能被小肠内的消化酶降解而直接到达大肠,因此,可用它作为载体用来包埋某些药物而达到在特定位点释放的目的。Chen等[47]研究发现糊化和交联处理之后的玉米淀粉不仅抗性淀粉含量增加,还可作为靶向结肠的药物载体,从而使药物达到定点释放的目的。此外,抗性淀粉也被用于微胶囊技术中,其中,海藻酸钙因操作简单、无副作用、成本低而广泛用作微胶囊壁材,但是将海藻酸盐与淀粉一起使用可以更好强化固定细菌,提高细菌的存活率。Mirzaei等[48]将抗性淀粉和海藻酸钙作为微胶囊壁材对奶酪进行包埋,结果发现包埋之后的奶酪中乳酸杆菌的活菌数明显高于未包埋的,酸奶中益生菌用微胶囊(海藻酸盐和RS2)包埋后其中的乳酸杆菌和双歧杆菌的活菌数也均高于没有包埋的[49]。

4 总结与展望

随着人们生活水平的提高,人们也越来越关注具有保健功能的食品。其中,抗性淀粉作为一种新兴的膳食纤维资源,因具有良好的加工特性以及对人体有着独特的生理功能而引起了广泛的关注,拥有广阔的市场前景。但是国内外对抗性淀粉的研究都不够深入,很多机制并未解释清楚。此外,富含抗性淀粉品种的筛选以及如何才能实现对抗性淀粉进行大规模的工业化生产,都需要进行更加深入的研究。

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Preparation and physiological function of resistant starch and its application

WANG Yi1,2,CHEN Zu-qin1,LI Ping1,HUANG Wen-li1,*

(1.Sichuan Academy of Agricultural Sciences,Biotechnology and Nuclear Technology Research Institute,Chengdu 610066,China;2.Chengdu University,Chengdu 610106,China)

Resistant starch(RS),a functional food with low calorie and high content of dietary fiber,has multi-benefit for health. It attracts more and more attention all over the world in food field. Here,we focus on the classification,preparation and physiological function of resistant starch. In addition,its application in food and other industry was summarized.

resistant starch;preparation;physiological function;application

2016-06-28

王怡(1993-)，女，硕士研究生，研究方向：食品加工与安全，E-mail：wangchehz@163.com。

*通讯作者:黄文丽(1983-)，女，博士，研究方向：天然产物开发与利用，E-mail:wenlih_11@126.com。

四川省财政创新能力提升工程资金项目(2015JSCX-001)。

TS201.2

A

1002-0306(2017)02-0396-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.02.068